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AI時代Math元年:用Python全精通矩陣及線性代數(二版)

AI時代Math元年:用Python全精通矩陣及線性代數(二版)

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9786267757086
姜偉生
深智數位
2025年7月19日
427.00  元
HK$ 362.95  






ISBN:9786267757086
  • 規格:平裝 / 832頁 / 17 x 23 x 3.62 cm / 普通級 / 單色印刷 / 二版
  • 出版地:台灣


  • 電腦資訊 > 概論/科技趨勢 > 人工智慧/機器學習











    ☆★暢銷再上市★☆



      ?有資料就有矩陣,有矩陣就有向量,有向量就有幾何,有幾何就有空間

      ?從資料一路提升到張量的所有數學基礎

      ?將數學視為思想、工具、語言、體系、基石、藝術的角度進行學習

      ?分為向量、矩陣、向量空間、矩陣分解、微積分、空間幾何、資料

      ?所有機器學習、深度學習最重要的基礎數學概念

      ?不再亂猜,寫機器學習程式碼時,每行指令背後代表的數學基礎

      ?學矩陣就是學AI,從此看到AI程式碼完全無負擔



      AI熱潮來臨,每個人都很怕直接被機器取代,不管文科理科背景的人,每個人都想搭上AI快車飛速到達未來。然而你的第一關就是數學。數學是宇宙的共同語言,也是人類意志極緻的展現。數學從數字開始進入高維之後,向量、矩陣、張量將整個人類文明帶入新的境界,也將我們的世界從點線面體推向無法視覺化的高維空間,而針對空間的運算,更是所有科學的重要基礎。空間幾何這門完全和生活知識抽離的學科,看似是和向量打交道而已,但卻是整個世界運行的基礎,近年AI興起,機器學習及深度學習成為熱門行業,當你想要學習TensorFlow時,面對的第一個觀念就是張量(Tensor)。這些名詞讓你感到陌生又不是完全不認識時,就是重拾矩陣的時候了。本書利用最小的成本,幫你把這個又陌生又熟悉的老朋友重新交往。作者從最簡單的加法開始說明,一直到機器學習中的梯度、偏導數、積分、矩陣、線性代數,從小學到研究所所學的數學,一一在適當的章節出現,當你讀到某個章節時,會發現「啊!原來如此,這就是奇異值分解在機器學習的原理啊!」,有一種豁然開朗的感覺,相信這種驚喜在全書中會不斷出現。ChatGPT出來之後,AI已經光速啟動,有志加入這個行業,也只能快速跟上,而這本書,正是你進入的最佳助手,與其繼續逃避直到被淘汰,不如就花一點時間,把這本本來就不難的書看完,補上你個人AI志業的最重要一塊拼圖。



      全書分為以下幾個部分:向量:從資料、矩陣、向量、幾何、空間開始談起,包括向量運算,範數等基本定理。接下來談到矩陣,把矩陣所有的性質(四則運算、表格、秩等)說明清楚,更有重要的內外積等。第三部分談的是向量,包括座標系、各種變換、維度、行列視,投影、正交、基等性質。第四部分談的是矩陣分解,實作了包括LU、Cholesky、QR,特徵/奇異值分解。第五部分就是談到空間的微積分,如多元函式、偏導、梯度、方向微分、泰勒展開等。也說明了拉格朗日乘子等。第六部分說明了空間幾何,包括直線、超平面、圓錐曲線等。也說明了曲面和正定性等問題。最後一部分則整理了前面所有觀念,發展至資料統計、SVD分解、機器學習、線性迴歸及PCA原理。搭配本書系其它書籍,相信AI的數學,對你來說只會是開心而不是阻礙。


     





    第1章 不止向量

    1.1有資料的地方,必有矩陣

    1.2有矩陣的地方,更有向量

    1.3有向量的地方,就有幾何

    1.4有幾何的地方,皆有空間

    1.5有資料的地方,定有統計



    第2章 向量運算

    2.1向量:多面手

    2.2行向量、列向量

    2.3向量長度:模,歐氏距離,L2範數

    2.4加減法:對應位置元素分別相加減

    2.5純量乘法:向量縮放

    2.6向量內積:結果為純量

    2.7向量夾角:反餘弦

    2.8餘弦相似度和餘弦距離?

    2.9向量積:結果為向量?

    2.10逐項積:對應元素分別相乘?

    2.11張量積:張起網格面?



    第3章 向量範數

    3.1Lp範數:L2範數的推廣?

    3.2Lp範數和超橢圓的聯繫?

    3.3L1範數:旋轉正方形?

    3.4L2範數:正圓?

    3.5L∞範數:正方形?

    3.6再談距離度量?



    第4章 矩陣

    4.1矩陣:一個不平凡的表格?

    4.2矩陣形狀:每種形狀都有特殊用途?

    4.3基本運算:加減和純量乘法?

    4.4廣播原則?

    4.5矩陣乘法:線性代數的運算核心?

    4.6兩個角度解剖矩陣乘法?

    4.7轉置:繞主對角線鏡像?

    4.8矩陣逆:「相當於 」除法運算?

    4.9跡:主對角元素之和?

    4.10逐項積:對應元素相乘?

    4.11行列式:將矩陣映射到純量值?



    第5章 矩陣乘法

    5.1矩陣乘法:形態豐富多樣?

    5.2向量和向量?

    5.3再聊全1列向量?

    5.4矩陣乘向量:線性方程式組?

    5.5向量乘矩陣乘向量:二次型?

    5.6方陣次方陣:矩陣分解?

    5.7對角陣:批次縮放?

    5.8置換矩陣:調換元素順序?

    5.9矩陣乘向量:映射到一維?

    5.10矩陣乘矩陣:映射到多維?

    5.11長方陣:奇異值分解、格拉姆矩陣、張量積?

    5.12愛因斯坦求和約定?

    5.13矩陣乘法的幾個雷區



    第6章 分塊矩陣

    6.1分塊矩陣:橫平垂直切豆腐

    6.2矩陣乘法第一角度:純量積展開?

    6.3矩陣乘法第二角度:外積展開?

    6.4矩陣乘法更多角度:分塊多樣化?

    6.5分塊矩陣的逆?

    6.6克羅內克積:矩陣張量積?



    第7章 向量空間

    7.1向量空間:從直角座標系說起

    7.2給向量空間塗顏色:RGB色卡?

    7.3張成空間:線性組合紅、綠、藍三原色?

    7.4線性無關:紅色和綠色,調不出青色?

    7.5非正交基底:青色、品紅、黃色?

    7.6基底轉換:從紅、綠、藍,到青色、品紅、黃色?



    第8章 幾何變換

    8.1線性變換:線性空間到自身的線性映射?

    8.2平移:仿射變換,原點變動?

    8.3縮放:對角陣?

    8.4旋轉:行列式值為1?

    8.5鏡像:行列式值為負?

    8.6投影:降維操作?

    8.7再談行列式值:幾何角度



    第9章 正交投影

    9.1純量投影:結果為純量?

    9.2向量投影:結果為向量?

    9.3正交矩陣:一個規範正交基底?

    9.4規範正交基底性質?

    9.5再談鏡像:從投影角度?

    9.6格拉姆-施密特正交化?

    9.7投影角度看回歸?

    ?

    第10章 資料投影

    10.1從一個矩陣乘法運算說起?

    10.2二次投影 + 層層疊加?

    10.3二特徵資料投影:標準正交基底?

    10.4二特徵資料投影:規範正交基底?

    10.5四特徵資料投影:標準正交基底?

    10.6四特徵資料投影:規範正交基底?

    10.7資料正交化?



    第11章 矩陣分解

    11.1矩陣分解:類似因式分解?

    11.2LU分解:上下三角?

    11.3Cholesky分解:適用於正定矩陣?

    11.4QR分解:正交化?

    11.5特徵值分解:刻畫矩陣映射的特徵?

    11.6奇異值分解:適用於任何實數矩陣?



    第12章 Cholesky分解

    12.1Cholesky分解?

    12.2正定矩陣才可以進行Cholesky分解?

    12.3幾何角度:開合?

    12.4幾何變換:縮放 → 開合?

    12.5推廣到三維空間?

    12.6從格拉姆矩陣到相似度矩陣?



    第13章 特徵值分解

    13.1幾何角度看特徵值分解?

    13.2旋轉 → 縮放 → 旋轉?

    13.3再談行列式值和線性變換?

    13.4對角化、譜分解?

    13.5聊聊特徵值?

    13.6特徵值分解中的複數現象?



    第14章 深入特徵值分解

    14.1方陣開方?

    14.2矩陣指數:冪級數的推廣?

    14.3費氏數列:求通項式?

    14.4馬可夫過程的平穩狀態?

    14.5瑞利商?

    14.6再談橢圓:特徵值分解?



    第15章 奇異值分解

    15.1幾何角度:旋轉 → 縮放 → 旋轉?

    15.2不同類型SVD分解?

    15.3左奇異向量矩陣U?

    15.4右奇異向量矩陣V

    15.5兩個角度:投影和資料疊加?



    第16章 深入奇異值分解

    16.1完全型:U為方陣?

    16.2經濟型:S去掉零矩陣,變方陣?

    16.3緊湊型:非滿秩?

    16.4截斷型:近似?

    16.5資料還原:層層疊加?

    16.6估計與誤差:截斷型SVD?

    16.7正交投影:資料正交化



    第17章 多元函式微分

    17.1偏導:特定方向的變化率?

    17.2梯度向量:上山方向?

    17.3法向量:垂直於切平面?

    17.4方向性微分:函式任意方向的變化率?

    17.5泰勒展開:一元到多元?



    第18章 拉格朗日乘子法

    18.1回顧最佳化問題?

    18.2等式約束條件?

    18.3線性等式約束?

    18.4非線性等式約束?

    18.5不等式約束?

    18.6再談特徵值分解:最佳化角度?

    18.7再談SVD:最佳化角度?

    18.8矩陣範數:矩陣 → 純量,矩陣「大小 」

    18.9再談資料正交投影:最佳化角度?

    ?

    第19章 直線到超平面

    19.1切向量:可以用來定義直線?

    19.2法向量:定義直線、平面、超平面?

    19.3超平面:一維直線和二維平面的推廣?

    19.4平面與梯度向量?

    19.5中垂線:用向量求解析式?

    19.6用向量計算距離?



    第20章 再談圓錐曲線?

    20.1無處不在的圓錐曲線?

    20.2正圓:從單位圓到任意正圓?

    20.3單位圓到旋轉橢圓:縮放 → 旋轉 → 平移?

    20.4多元高斯分佈:矩陣分解、幾何變換、距離?

    20.5從單位雙曲線到旋轉雙曲線?

    20.6切線:建構函式,求梯度向量?

    20.7法線:法向量垂直於切向量?



    第21章 曲面和正定性?

    21.1正定性?

    21.2幾何角度看正定性?

    21.3開口朝上?物面:正定

    21.4山谷面:半正定?

    21.5開口朝下?物面:負定?

    21.6山脊面:半負定?

    21.7雙曲?物面:不定?

    21.8多極值曲面:局部正定性?



    第22章 資料與統計?

    22.1統計 + 線性代數:以鳶尾花資料為例?

    22.2平均值:線性代數角度?

    22.3質心:平均值排列成向量?

    22.4中心化:平移

    22.5分類資料:加標籤?

    22.6方差:平均值向量沒有解釋的部分

    22.7協方差和相關性係數?

    22.8協方差矩陣和相關性係數矩陣?



    第23章 資料空間

    23.1從資料矩陣X說起?

    23.2向量空間:從SVD分解角度理解?

    23.3緊湊型SVD分解:剔除零空間?

    23.4幾何角度說空間?

    23.5格拉姆矩陣:向量模、夾角餘弦值的集合體?

    23.6標準差向量:以資料質心為起點?

    23.7白話說空間:以鳶尾花資料為例



    第24章 資料分解?

    24.1為什麼要分解矩陣??

    24.2QR分解:獲得正交系?

    24.3Cholesky分解:找到列向量的座標?

    24.4特徵值分解:獲得行空間和零空間?

    24.5SVD分解:獲得四個空間?



    第25章 資料應用

    25.1從線性代數到機器學習

    25.2從隨機變數的線性變換說起

    25.3單方向映射

    25.4線性回歸

    25.5多方向映射

    25.6主成分分析





    前言



      感謝




      首先感謝大家的信任。



      作者僅是在學習應用資料科學和機器學習演算法時,多讀了幾本數學書,多做了一些思考和知識 整理而已。知者不言,言者不知。知者不博,博者不知。由於作者水準有限,斗膽把自己所學所思與大家分享,作者權當無知者無畏。希望大家在Github多提意見,讓這套書成為作者和讀者共同參與創作的作品。



      特別感謝清華大學出版社的欒大成老師。從選題策劃、內容創作到裝幀設計,欒老師事無巨細、一路陪伴。每次與欒老師交流,都能感受到他對優質作品的追求、對知識分享的熱情。



      出來混總是要還的



      曾經,考試是我們學習數學的唯一動力。考試是頭懸樑的繩,是錐刺股的錐。我們中的大多數人 從小到大為各種考試埋頭題海,數學味同嚼蠟,甚至讓人恨之入骨。



      數學所帶來了無盡的「折磨」。 我們甚至恐懼數學,憎恨數學,恨不得一走出校門就把數學拋之腦後,老死不相往來。



      可悲可笑的是,我們很多人可能會在畢業的五年或十年以後,因為工作需要,不得不重新學習微積分、線性代數、機率統計,悔恨當初沒有學好數學,甚至遷怒於教材和老師。



      這一切不能都怪數學,值得反思的是我們學習數學的方法和目的。



      再給自己一個學數學的理由



      為考試而學數學,是被逼無奈的舉動。而為數學而數學,則又太過高尚而遙不可及。



      相信對絕大部分的我們來說,數學是工具、是謀生手段,而非目的。我們主動學數學,是想用數學工具解決具體問題。



      現在,這套書給大家一個「學數學、用數學」的全新動力—資料科學、機器學習。



      資料科學和機器學習已經深度融合到我們生活的各方面,而數學正是開啟未來大門的鑰匙。不是所有人生來都握有一副好牌,但是掌握「數學 + 程式設計 + 機器學習」的知識絕對是王牌。這次,學習數學不再是為了考試、分數、升學,而是投資時間、自我實現、面向未來。未來已來,你來不來?



      本套書系如何幫到你



      為了讓大家學數學、用數學,甚至愛上數學,作者可謂頗費心機。在創作這套書時,作者儘量克服傳統數學教材的各種弊端,讓大家學習時有興趣、看得懂、有思考、更自信、用得著。



      為此,叢書在內容創作上突出以下幾個特點。



      數學 + 藝術

      全圖解,極致視覺化,讓數學思想躍然紙上、生動有趣、一看就懂,同時提高大家的資料思維、幾何想像力、藝術感。



      零基礎

      從零開始學習Python程式設計,從寫第一行程式到架設資料科學和機器學習應用,儘量將陡峭學習曲線拉平。



      知識網路

      打破數學板塊之間的門檻,讓大家看到數學代數、幾何、線性代數、微積分、 機率統計等板塊之間的聯繫,編織一張綿密的數學知識網路。



      動手

      授人以魚不如授人以漁,和大家一起寫程式、創作數學動畫、互動App。



      學習生態

      構造自主探究式學習生態環境「紙質圖書 + 程式檔案 + 視覺化工具 + 思維導圖」 ,提供各種優質學習資源。



      理論 + 實踐

      從加減乘除到機器學習,叢書內容安排由淺入深、螺旋上升,兼顧理論和實 踐;在程式設計中學習數學,學習數學時解決實際問題。



      雖然本書標榜「從加減乘除到機器學習」, 但是建議讀者朋友們至少具備高中數學知識。如果讀者正在學習或曾經學過大學數學 (微積分、線性代數、機率統計) ,這套書就更容易讀懂了。



      聊聊數學



      數學是工具。錘子是工具,剪刀是工具,數學也是工具。



      數學是思想。數學是人類思想高度抽象的結晶體。在其冷酷的外表之下,數學的核心實際上就是人類樸素的思想。學習數學時,知其然,更要知其所以然。不要死記硬背公式定理,理解背後的數學思想才是關鍵。如果你能畫一幅圖、用簡單的語言描述清楚一個公式、一則定理,這就說明你真正理解了它。



      數學是語言。就好比世界各地不同種族有自己的語言,數學則是人類共同的語言和邏輯。數學這門語言極其精準、高度抽象,放之四海而皆準。雖然我們中大多數人沒有被數學「女神」選中,不能 為人類對數學認知開疆擴土;但是,這絲毫不妨礙我們使用數學這門語言。就好比,我們不會成為語言學家,我們完全可以使用母語和外語交流。



      數學是系統。代數、幾何、線性代數、微積分、機率統計、最佳化方法等,看似一個個孤島,實際上都是數學網路的一條條織線。建議大家學習時,特別關注不同數學板塊之間的聯繫,見樹,更要見林。



      數學是基石。拿破崙曾說「數學的日臻完善和國強民富息息相關。」數學是科學進步的根基,是經濟繁榮的支柱,是保家衛國的武器,是探索星辰大海的航船。



      數學是藝術。數學和音樂、繪畫、建築一樣,都是人類藝術體驗。透過視覺化工具,我們會在看似枯燥的公式、定理、資料背後,發現數學之美。



      數學是歷史,是人類共同記憶體。「歷史是過去,又屬於現在,同時在指引未來。」數學是人類的集體學習思考,它把人的思維符號化、形式化,進而記錄、累積、傳播、創新、發展。從甲骨、泥板、石板、竹簡、木牘、紙草、羊皮卷冊、活字印刷、紙質書,到數字媒介,這一過程持續了數千年,至今綿延不息。



      數學是無窮無盡的想像力,是人類的好奇心,是自我挑戰的毅力,是一個接著一個的問題,是看似荒誕不經的猜想,是一次次膽大包天的批判性思考,是敢於站在前人臂膀之上的勇氣,是孜孜不倦 地延展人類認知邊界的不懈努力。



      家園、詩、遠方



      諾瓦利斯曾說:「哲學就是懷著一種鄉愁的衝動到處去尋找家園。」



      在紛繁複雜的塵世,數學純粹得就像精神的世外桃源。數學是,一束光,一條巷,一團不滅的希望,一股磅?的力量,一個值得寄託的避風港。



      打破陳腐的鎖鏈,把功利心暫放一邊,我們一道懷揣一份鄉愁,心存些許詩意,踩著藝術維度,投入數學張開的臂膀,駛入它色彩斑斕、變幻無窮的深港,感受久違的歸屬,一睹更美、更好的遠方。




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